Thiết kế bộ tạo dao động dựa trên chế độ hiện tại cho bộ khuếch đại công suất âm thanh Class D: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Trong những năm gần đây, bộ khuếch đại công suất âm thanh Class D đã trở thành giải pháp ưa thích cho các hệ thống âm thanh di động như MP3 và điện thoại di động do hiệu suất cao và tiêu thụ điện năng thấp. Bộ dao động là một bộ phận quan trọng của bộ khuếch đại âm thanh lớp D. Bộ dao động có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng âm thanh của bộ khuếch đại, hiệu quả của chip, nhiễu điện từ và các chỉ số khác. Để đạt được mục đích này, bài báo này thiết kế một mạch dao động điều khiển hiện tại cho các bộ khuếch đại công suất lớp D. Mô-đun dựa trên chế độ hiện tại và chủ yếu thực hiện hai chức năng: một là cung cấp tín hiệu sóng tam giác có biên độ tỷ lệ với điện áp nguồn; loại còn lại là cung cấp tín hiệu sóng vuông có tần số gần như không phụ thuộc vào điện áp nguồn và tỷ lệ nhiệm vụ của tín hiệu sóng vuông là 50%.

Bước 1: Nguyên tắc Bộ dao động Chế độ Hiện tại

Nguyên lý hoạt động của bộ dao động là điều khiển quá trình nạp và phóng của tụ bằng nguồn dòng thông qua ống công tắc MOS để tạo ra tín hiệu sóng tam giác. Sơ đồ khối của bộ dao động dựa trên chế độ dòng điện thông thường được thể hiện trong Hình 1.

Thiết kế bộ tạo dao động dựa trên chế độ hiện tại cho bộ khuếch đại công suất âm thanh Class D

Trong bộ lễ phục. 1, R1, R2, R3 và R4 tạo ra điện áp ngưỡng VH, VL và điện áp tham chiếu Vref bằng cách chia điện áp của điện áp nguồn. Điện áp tham chiếu sau đó được đưa qua cấu trúc LDO của bộ khuếch đại OPA và MN1 để tạo ra dòng điện tham chiếu Iref tỷ lệ với điện áp cung cấp. Vì vậy, có:

MP1, MP2 và MP3 trong hệ thống này có thể tạo thành nguồn dòng điện phản chiếu để tạo ra dòng sạc IB1. Nguồn dòng điện gương bao gồm MP1, MP2, MN2 và MN3 tạo ra dòng điện phóng IB2. Giả định rằng MP1, MP2 và MP3 có tỷ lệ chiều rộng trên chiều dài bằng nhau và MN2 và MN3 có tỷ lệ chiều rộng trên chiều dài bằng nhau. Sau đó, có:

Khi dao động làm việc, trong pha sạc t1, CLK = 1, ống MP3 tích điện cho tụ điện một dòng điện không đổi IB1. Sau đó, điện áp tại điểm A tăng tuyến tính. Khi điện áp tại điểm A lớn hơn VH, điện áp ở đầu ra của cmp1 chuyển về không. Mô-đun điều khiển logic chủ yếu bao gồm các flip-flops RS. Khi đầu ra của cmp1 là 0, đầu cuối đầu ra CLK được đảo ngược về mức thấp và CLK là mức cao. Dao động đi vào pha phóng điện t2, lúc này tụ điện C bắt đầu phóng điện với cường độ dòng điện không đổi IB2 làm điện áp tại điểm A giảm xuống. Khi điện áp giảm xuống dưới VL, điện áp đầu ra của cmp2 trở thành không. RS flip-flop lật, CLK tăng cao và CLK xuống thấp, hoàn thành một khoảng thời gian sạc và xả. Vì IB1 và IB2 bằng nhau nên thời gian nạp và xả của tụ điện bằng nhau. Độ dốc cạnh lên của sóng tam giác điểm A bằng giá trị tuyệt đối của độ dốc cạnh xuống. Do đó, tín hiệu CLK là tín hiệu sóng vuông với tỷ lệ nhiệm vụ là 50%.

Tần số đầu ra của bộ dao động này không phụ thuộc vào điện áp cung cấp, và biên độ của sóng tam giác tỷ lệ với điện áp cung cấp.

Bước 2: Triển khai mạch dao động

Thiết kế mạch dao động được thiết kế trong bài báo này được trình bày trong hình 2. Mạch được chia thành ba phần: mạch tạo điện áp ngưỡng, mạch tạo dòng nạp và xả và mạch điều khiển logic.

Thiết kế bộ tạo dao động dựa trên chế độ hiện tại cho bộ khuếch đại công suất âm thanh Class D Hình 2 mạch thực hiện bộ dao động

2.1 Bộ tạo điện áp ngưỡng

Phần tạo điện áp ngưỡng có thể được cấu thành bởi MN1 và bốn điện trở phân chia điện áp R1, R2, R3 và R4 có các giá trị điện trở bằng nhau. Bóng bán dẫn MOS MN1 ở đây được sử dụng như một bóng bán dẫn chuyển mạch. Khi không có tín hiệu âm thanh nào được đưa vào, chip đặt đầu cuối CTRL ở mức thấp, VH và VL đều là 0V và bộ dao động ngừng hoạt động để giảm mức tiêu thụ điện tĩnh của chip. Khi có tín hiệu đầu vào, CTRL ở mức thấp, VH = 3Vdd / 4, VL = Vdd / 4. Do hoạt động tần số cao của bộ so sánh, nếu điểm B và điểm C được kết nối trực tiếp với đầu vào của bộ so sánh, nhiễu điện từ có thể được tạo ra đối với điện áp ngưỡng thông qua điện dung ký sinh của bóng bán dẫn MOS. Do đó, mạch này kết nối điểm B và điểm C với bộ đệm. Mô phỏng mạch cho thấy việc sử dụng bộ đệm có thể cách ly hiệu quả nhiễu điện từ và ổn định điện áp ngưỡng.

2.2 Tạo ra điện tích và dòng điện phóng điện

Dòng điện tỷ lệ với điện áp cung cấp có thể được tạo ra bởi OPA, MN2 và R5. Vì mức tăng của OPA cao, sự khác biệt điện áp giữa Vref và V5 là không đáng kể. Do hiệu ứng điều chế kênh, dòng của MP11 và MN10 bị ảnh hưởng bởi điện áp nguồn. Do đó, dòng điện phóng của tụ điện không còn tuyến tính với điện áp cung cấp. Trong thiết kế này, gương hiện tại sử dụng cấu trúc cascode để ổn định điện áp nguồn của MP11 và MN10, và giảm độ nhạy với điện áp nguồn. Từ quan điểm AC, cấu trúc cascode làm tăng điện trở đầu ra của nguồn (lớp) hiện tại và giảm lỗi trong dòng đầu ra. MN3, MN4 và MP5 được sử dụng để cung cấp điện áp phân cực cho MP12. MP8, MP10, MN6 có thể cung cấp điện áp phân cực cho MN9.

2.3 Phần điều khiển logic

Đầu ra CLK và CLK của flip-flop là tín hiệu sóng vuông có pha ngược nhau, có thể dùng để điều khiển đóng mở MP13, MN11 và MP14, MN12. MP14 và MN11 hoạt động như các bóng bán dẫn chuyển mạch, có chức năng như SW1 và SW2 trong Hình 1. MN12 và MP13 hoạt động như các ống phụ, có chức năng chính là giảm các gờ của dòng điện tích và phóng điện và loại bỏ hiện tượng bắt nét của sóng tam giác. Hiện tượng sắc nét chủ yếu là do hiệu ứng phun điện tích kênh khi bóng bán dẫn MOS ở trong quá trình chuyển đổi trạng thái.

Giả sử rằng MN12 và MP13 bị loại bỏ, khi CLK chuyển đổi từ 0 sang 1, MP14 được bật sang trạng thái tắt và nguồn hiện tại bao gồm MP11 và MP12 buộc phải đi vào vùng tuyến tính sâu từ vùng bão hòa ngay lập tức và MP11, MP12, MP13 là Điện tích kênh được rút ra trong thời gian rất ngắn, gây ra dòng điện trục trặc lớn, gây ra điện áp tăng đột biến tại điểm A. Đồng thời, MN11 nhảy từ trạng thái tắt sang trạng thái bật, và các lớp hiện tại bao gồm MN10 và MN9 đi từ vùng tuyến tính sâu đến vùng bão hòa. Điện dung kênh của ba ống này được tích điện trong thời gian ngắn, điều này cũng gây ra dòng điện Burr lớn và điện áp tăng đột biến. Tương tự, nếu bỏ ống phụ MN12, MN11, MN10 và MN9 cũng tạo ra dòng điện trục trặc lớn và điện áp tăng đột biến khi nhảy CLK. Mặc dù MP13 và MP14 có cùng tỷ lệ chiều rộng và chiều dài, nhưng mức cổng lại trái ngược nhau, vì vậy MP13 và MP14 được bật luân phiên. MP13 đóng hai vai trò chính trong việc loại bỏ điện áp tăng đột biến. Đầu tiên, đảm bảo rằng MP11 và MP12 hoạt động trong vùng bão hòa trong toàn bộ chu kỳ để đảm bảo tính liên tục của dòng điện và tránh điện áp chụp ảnh sắc nét do gương hiện tại gây ra. Thứ hai, làm cho MP13 và MP14 tạo thành một ống bổ sung. Do đó, tại thời điểm thay đổi điện áp CLK, điện dung kênh của một ống được tích điện và điện dung kênh của ống kia được phóng điện, và các điện tích âm và dương triệt tiêu lẫn nhau, do đó làm giảm đáng kể dòng điện trục trặc. Tương tự, sự ra đời của MN12 cũng sẽ đóng vai trò tương tự.

2.4 Ứng dụng công nghệ sửa chữa

Các thông số của các lô ống MOS khác nhau sẽ khác nhau giữa các tấm wafer. Dưới các góc độ quá trình khác nhau, độ dày của lớp oxit của ống MOS cũng sẽ khác nhau, đồng thời Cox tương ứng cũng thay đổi theo, làm cho dòng điện tích và phóng điện dịch chuyển, làm cho tần số đầu ra của bộ dao động thay đổi. Trong thiết kế mạch tích hợp, công nghệ cắt xén chủ yếu được sử dụng để sửa đổi điện trở và mạng điện trở (hoặc mạng tụ điện). Các mạng điện trở khác nhau có thể được sử dụng để tăng hoặc giảm điện trở (hoặc điện dung) để thiết kế các mạng điện trở (hoặc mạng tụ điện) khác nhau. Dòng điện tích và phóng điện IB1 và IB2 chủ yếu được xác định bởi Iref hiện tại. Và Iref = Vdd / 2R5. Do đó, thiết kế này chọn để cắt bớt điện trở R5. Mạng cắt tỉa được thể hiện trong hình 3. Trong hình vẽ, tất cả các điện trở đều bằng nhau. Trong thiết kế này, điện trở của điện trở R5 là 45kΩ. R5 mắc nối tiếp bằng mười điện trở nhỏ có điện trở 4,5kΩ. Nung dây giữa hai điểm A và B có thể làm tăng điện trở của R5 lên 2,5%, nung chảy dây giữa B và C có thể làm tăng điện trở 1,25%, giữa A, B và B, C. Các cầu chì đều bị nổ., làm tăng sức đề kháng lên 3,75%. Nhược điểm của kỹ thuật cắt tỉa này là chỉ có thể làm tăng giá trị điện trở chứ không nhỏ.

Hình 3 cấu trúc mạng sửa chữa điện trở

Bước 3: Phân tích kết quả mô phỏng

Thiết kế này có thể được thực hiện trên quy trình CMOS 0,5μm của CSMC và có thể được mô phỏng bằng công cụ Spectre.

3.1 Cải thiện sóng tam giác bằng ống chuyển mạch bổ sung

Hình 4 là một sơ đồ cho thấy sự cải thiện của sóng tam giác bằng ống chuyển mạch bổ sung. Có thể thấy từ Hình 4 rằng dạng sóng của MP13 và MN12 trong thiết kế này không có đỉnh rõ ràng khi độ dốc thay đổi, và hiện tượng sắc nét dạng sóng biến mất sau khi ống phụ được thêm vào.

Hình 4 Cải thiện dạng sóng của ống chuyển mạch bổ sung thành sóng tam giác

3.2 Ảnh hưởng của điện áp và nhiệt độ nguồn điện

Hình 5 có thể thấy rằng tần số của dao động thay đổi là 1,86% khi điện áp nguồn thay đổi từ 3V đến 5V. Khi nhiệt độ thay đổi từ -40 ° C đến 120 ° C, tần số dao động thay đổi 1,93%. Có thể thấy rằng khi nhiệt độ và điện áp nguồn thay đổi nhiều, tần số đầu ra của bộ dao động có thể duy trì ổn định, do đó có thể đảm bảo hoạt động bình thường của chip.

Hình 5 Ảnh hưởng của điện áp và nhiệt độ lên tần số

Bước 4: Kết luận

Bài báo này thiết kế một bộ dao động điều khiển hiện tại cho bộ khuếch đại công suất âm thanh Class D. Thông thường, bộ dao động này có thể xuất ra tín hiệu sóng vuông và sóng tam giác với tần số 250 kHz. Hơn nữa, tần số đầu ra của bộ dao động có thể duy trì ổn định khi nhiệt độ và điện áp cung cấp thay đổi nhiều. Ngoài ra, điện áp tăng đột biến cũng có thể được loại bỏ bằng cách thêm các bóng bán dẫn chuyển mạch bổ sung. Bằng cách giới thiệu kỹ thuật cắt xén mạng điện trở, có thể thu được tần số đầu ra chính xác khi có các biến thể của quá trình. Hiện tại, bộ dao động này đã được sử dụng trong bộ khuếch đại âm thanh Class D.